植物照明產業發展機遇與挑戰

劉文科（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

植物照明是農業照明的主要組成部分，是一種調控設施植物光環境的工程技術措施，以促進植物的生長發育、產量及品質。植物照明主要應用于設施植物生產（人工光植物工廠和溫室等園藝設施中），少量用于露地栽培補光，克服弱光寡照逆境或實施光周期調控，以獲得最大植物生產效益。植物照明是一個跨界的科學技術領域，涉及到設施園藝工程和照明工程兩個學科，為交叉新興產業，因此產業發展快慢和質量高低依賴于學科交叉融合程度。現今世界范圍內，設施園藝光環境調控已成為研究的熱點，尤其集中在溫室補光和人工光植物工廠光環境調控方面。植物光質生理規律的揭示是驅動植物照明產業發展的科學基礎，植物照明的原理是最大程度利用植物光質生理特性，設計專用LED植物燈和照明控制系統，在時間和空間上給予植物特定的光照條件，通過光合作用和光形態建成調節，挖掘植物光合和代謝潛能，實現高產優質目標[1-2]。

隨著LED照明技術的進步與興起，受荷蘭和日本設施園藝產業發展的影響，中國設施園藝多樣性和先進性正在經歷著跨越式發展，連棟溫室規模化發展遞增，人工光植物工廠應用持續興起。最近10年，伴隨LED植物照明專用光源產業和設施園藝產業爆發式發展，形成了以珠三角、長三角和京津冀為中心的植物照明研發與產業基地，植物照明產品和應用領域逐年增加，已經成為中國LED照明產業盈利的新增長點。目前，包括上游LED芯片、中游的封裝、電源和燈具企業已有數百家，遍布全國20余個省份。近5年，隨著國際上大麻種植和使用的合法化或被許可、設施園藝產業升級和高附加值園藝產品需求的攀升，植物照明迎來了發展新契機，植物照明研發和產業發展進入了新的發展時期。根據全球調研機構Technavio研究報告顯示，2020年全球植物生長燈市場達30億美元，2016～2020年全球市場以11.7%的增長率增長。第26屆廣州國際照明展上，據不完全統計涉及植物照明的企業多達幾十家，發展勢頭可見一斑。本文總結了植物照明產業發展的機遇，分析了植物照明產業發展面臨的挑戰，并展望了未來10年植物照明產業發展格局。

植物照明產業發展機遇

植物照明的興起和產業發展是國內外設施園藝和LED照明科技發展融合的必然結果。按照具體應用領域而言，在國際疫情常態化條件下，人工光植物工廠、設施園藝補光、大麻室內種植、家庭園藝等設施園藝產業是撬動植物照明發展的主要驅動因素。此外，中國雄厚的LED產業基礎也為植物照明發展提供了工業基礎和產業背景。

人工光植物工廠

人工光植物工廠一般采用LED燈為唯一光源進行蔬菜、藥用植物等規模化生產，是單位面積LED燈使用密度最大的園藝設施類型，是近些年驅動LED植物照明發展的首要因素。國際上，中大型人工光植物工廠快速發展，生產高附加值和高品質植物種類及其產品，如草莓、藥用植物、藥食同源植物等。國內方面，經濟發達地區人工光植物工廠發展頗為迅速，陸續涌現出了多家規模較大的人工光植物工廠企業，從事植物生產和工程復制[3]。而且，LED光源家庭植物工廠產業發展迅速，已推出十余款家庭植物工廠產品，可生產各種葉菜，功能多樣[4]。此外，在海島、沙漠、太空、艦船、極地、高原等特殊極端環境條件下，人工光植物工廠在解決綠色鮮活蔬菜問題上起著不可或缺的作用，社會應用價值不言而喻。

設施園藝補光

中國設施園藝的栽培面積高達400萬hm2以上，涵蓋了蔬菜、果樹、藥用植物、食用菌、種苗、組培苗、花卉等多個領域。設施園藝是環控型產業，光環境調控是其本質要求，對消除弱光寡照逆境，實施光周期調節，實現優質高產起到重要的作用[5]。設施作物反季節生產上市，補光措施需求迫切，北方設施果樹（櫻桃、葡萄、油桃、棗、藍莓、西甜瓜等），提前上市可大幅提升生產效益。即使在南方，露地火龍果等果蔬生產在陰雨天氣也需要人工補光，促進開花結果，獲得更高的效益。

國際大麻室內種植

北美工業大麻合法化不斷推進，推動植物照明需求爆發，未來五年全球大麻市場每年可能增長22%。美國大麻市場迅速擴容，2019年種植面積45.3萬英畝（1.8×105hm2），比2018年增長了479%。根據 New Frontier Data，2019年美國合法大麻市場規模為136億美元，其中娛樂大麻市場76億美元，醫用大麻市場60億美元。2019～2025美國合法大麻市場規模將由136億美元增至297億美元，醫用大麻市場將由60億美元增至131億美元。其次，工業大麻種植在全球更多國家蓬勃發展[6]，大麻二酚（CBD）應用空間廣闊。根據Canopy Growth測算，潛在的全球工業大麻市場規模超過3000億美元。展望未來，大麻植物工廠種植是必然趨勢，LED植物照明燈具需求將大幅增加。

國際疫情常態化因素

國際上，因美國等諸多國家疫情短時無法得到有效控制，疫情背景下供應鏈及食品安全憂慮顯現、疊加長期全球人口增長與耕地面積有限的矛盾。北美市場為代表的用于工業大麻種植的植物生長燈，歐洲為代表的果蔬、花卉種植的植物生長燈銷量都有較明顯的增長。近兩年，國際疫情常態化條件下，安全、營養農產品的需求保障問題比較棘手，室內種植成為較好的選擇。從蔬菜、苗木、香料、草莓，到花卉、牧草、（工業）大麻等室內場所規模化種植需求逐年增加，這必然導致對LED植物生長燈的國內外需求激增，刺激植物照明市場。

LED制造業高值賦能

中國是世界最大的LED產業國，LED半導體照明上中下游產業鏈完善，產業規模大。根據CSA research發布的《2019中國半導體照明產業發展藍皮書》顯示，2019年中國LED半導體照明行業總產值達7548億元。LED產業規模發展中，下游應用貢獻最大。2019年，中國LED半導體照明產業下游應用規模達到6388億元，占比84.63%。雄厚的LED產業基礎也為植物照明發展提供了工業基礎和產業背景。LED植物照明已經占據一席之地，成為新的增長點，出口勢頭強勁。

植物照明產業發展挑戰

LED企業轉型需要產研合作

植物照明是需要LED燈具與植物栽培平臺有效對接才能獲得最佳的應用效益。同時，LED植物照明的技術參數制定非常關鍵，需要大量的試驗來揭示植物光質生理學規律。所以高效起見，植物照明企業應與設施園藝領域科研院所合作，實施強強聯合和專業分工，把針對特定植物種類或品種的最優光環境參數與高性價比的LED燈具設計相結合，獲得高效的LED植物照明系統。此外，植物照明懸掛方式很重要，優化的懸掛方式可充分利用LED植物燈冷光源特性，兼顧照射面積，獲得最佳的光照效益。以（工業）大麻室內種植為例，（工業）大麻光環境的技術參數尤其重要[7]，過去（工業）大麻未合法化年代（工業）大麻光環境參數研究成果很少[8]，值得關注。

室內大麻生長燈依賴于國際市場

近些年，植物照明LED燈具的銷售市場主要包括國內和國際市場，主要集中于設施園藝和（工業）大麻生產兩個領域。當前，中國LED植物照明產品主要出口到歐美市場，得益于北美大麻種植逐漸合法化。但是，國內市場尚待開發培育，潛力不容低估。

設施園藝細分市場亟待開發

設施園藝用戶的激活與培育是保障LED植物照明產業長期發展的基礎。但是，基于設施園藝生產的復雜性，設施園藝LED照明系統的研發存在多樣性和技術難度，必須在揭示設施植物光質生理特性前提下，才能按照栽培平臺要求設計LED燈具，才能有效實施光環境調控。溫室園藝中LED燈取代高壓鈉燈是必然趨勢，設施牧草、藥用植物、果樹等新興園藝業態不斷涌現，LED照明將成為未來設施園藝標準配置裝備，對實現未來智慧園藝必不可少。

LED植物燈的性價比提升

較高的產量品質效應和良好的視覺健康效果是LED植物照明的基本目標，也是衡量LED燈具性價比的重要原則。通過光譜調制、智能控制和植物栽培平臺的合理耦合，可以獲得較高的產量品質效應。通過光譜調制、二次光學設計和照射角度控制可以獲得良好的視覺健康。當然，高性價比LED燈具的研制是以半導體芯片技術先進性為前提的，其節能效率和光電轉換效率是后端燈具設計無法從根本上控制的。

總結

植物照明是近10年LED照明領域的研發的熱點和產業增長點。總體來講，LED植物照明已經越過了技術研發和產業塑形的初級階段，產業已經越過成長期，逐步走入成熟期。當前，植物照明產業發展面臨著發展機遇，也存在一些挑戰。機遇方面，在國際疫情常態化條件下，人工光植物工廠、設施園藝補光、大麻室內種植、家庭園藝等設施園藝產業將長期助力植物照明的快速發展，中國雄厚的LED產業基礎也為植物照明發展提供了工業基礎和產業背景。植物照明產業面臨的挑戰包括以下幾個層面。首先，植物照明市場仍需要培育，細分市場產品和產品性價比亟待提高；其次，植物照明龍頭企業鳳毛麟角，知名產品屈指可數；產業自信心、用戶可見度、產學研結合和細分市場利用有待提升；最后，國內市場開發利用是重大課題，尤其是在當前中國植物照明產品生產企業集群、科研機構集群和設施園藝產業集群地域分離問題嚴重，三者合力和凝聚力有待強化。展望未來10年，植物照明技術研發和產業化應用規模將取得重大進展，形成較為完整的產品體系和市場體系，重點將推出植物工廠用大麻生長燈[8]、牧草生長燈[9]、育苗燈、草莓燈和藥用植物生長燈等，以及溫室蔬菜、果樹專用補光燈等，市場前景十分可觀。此外，LED將有序取代HPS，國內設施園藝生產植物照明燈具覆蓋率將達到60%以上，LED產品滲透率將達到60%以上，比當前提高1倍。產業上，植物照明產業將出現10家左右龍頭企業，年市場規模將達到50億元以上，出口規模逐年提升，成為植物燈生產和使用大國甚至強國。